微结构固体力学团队在可拉伸电子面膜研究方面取得新进展
健康、外观正常的面部皮肤对个人的身心健康至关重要。经皮药物导入是一种有效的治疗方法，与口服和注射给药相比，经皮导入途径可以避免胃肠道的吸收和代谢，并减轻疼痛，从而提高了患者的依从性。然而，只有少量药物可以通过被动扩散方式穿透皮肤，且难以维持有效的药物输送水平。近来，中国科学院力学研究所苏业旺研究员团队设计并制备了用于皮肤电穿孔的可拉伸电子面膜（SEFM），可促进药物3-4倍导入量的效果，同时具备可重复使用、水洗稳定、低成本和便携等特点。该工作不仅具有重要的基础研究学术意义，而且具有很好的产业化应用前景。该研究成果以“Stretchable Electronic Facial Masks for Skin Electroporation”为题近期发表在国际期刊《先进功能材料》上（Advanced Functional Materials），并被编辑选为当期热点论文予以专门推荐。
可拉伸电子面膜（SEFM），作为一种面部健康护理平台（图1），将电穿孔药物导入的电极制备在硅胶面膜上，以促进经皮给药。采用低成本材料、高产量制备工艺的SEFM器件（图2），结合其固有的易用性，对各个收入水平的群体都有应用的潜力。本工作所攻克的关键设计和技术（图3和图4）包括：1）硅油材料引入，增强导电油墨电极在硅胶表面的附着力和变形稳定性；2）材料研磨，减小团聚体直径，增加油墨电极导电性；3）石墨烯材料掺杂，形成多导电通道，增加油墨电极导电性；4）蛇形网状结构设计，维持导电油墨电极大变形时的电学稳定性；5）炭黑掺杂高温硫化硅胶，实现导电粘接和封装。通过有限元方法和实验验证了SEFM的力学、电学性能，以及导电粘接和封装的有效性，最后通过动物实验，证明了SEFM对于加速透明质酸钠、芦荟粉、燕麦葡聚糖和D-泛醇3-4倍导入量的效果，且导入深度大幅增加（图5）。同时通过人体实验，验证了烟酰胺（维生素B3）导入皮肤的效果（图6）。此外，前人文献已经证明的其他药物也可以通过使用SEFM更有效地穿透皮肤，以达到不同的治疗效果。该工作不仅具有重要的基础研究学术意义，而且具有很好的产业化应用前景。
论文第一作者为中国科学院力学研究所在读研究生徐新凯，通讯作者为苏业旺研究员。该工作得到了来自国家自然科学基金委和中国科学院的项目支持。
图1. SEFM 的展示与机理。a）SEFM 的使用示意图。b）SEFM的外视图。c）SEFM的内视图。d）控制器，包括控制区和连接点（CPs）。e）脉冲波形，方波脉冲，±60 V，脉宽200 μs。f）SEFM通过皮肤电穿孔进行药物导入机理的示意图。g）电穿孔药物导入的LTR 区域和 LDR 区域。
图2 SEFM 的设计与制备过程。a）SEFM器件结构的分解示意图。b）经过有限元模拟计算，有/无连接器连接之前和之后，从各个点到点A的导电油墨电极的归一化电阻分布图。c）（i-iii）通过丝网印刷在硅胶面膜的一侧印刷导电图案，（iv）将印有图案的硅胶面膜放入180℃的烤箱中烘烤15分钟，然后在硅胶面膜的另一侧重复（ii-iv），（v-vi）使用磁性扣穿过硅胶层、导电油墨、固定片和连接器，（vii）在连接器的上方，通过导电胶粘剂粘接硅胶覆盖片，（viii）使用凸槽1-3将硅胶面膜固定在不锈钢盘1上，（ix）将具有六个定位柱的不锈钢盘2与不锈钢盘1上的定位孔对准，以170℃的温度热压15分钟，（x）制备出SEFM。
图3. 导电油墨的制备和电学性能。a）导电油墨的原材料。b）导电油墨。c）导电油墨表观粘度随剪切速率的变化。d）导电油墨研磨过程的示意图。e）导电油墨在研磨前后的扫描电子显微镜（SEM）图像。f）导电油墨在研磨前后的电导率。g）不同比例石墨烯导电油墨的电导率值和粘度值。h）不同的图案模型受到横向拉伸的示意图。i）三种图案导电油墨受横向拉伸时电阻变化的限元结果。j）直线图案导电油墨-硅胶样本的50%拉伸疲劳实验，重复1000次。k）蛇形网状图案导电油墨-硅胶样本的50%拉伸疲劳实验，重复1000次。（l）50次超声清洗测试。
图4. 导电硅胶的电学和力学性能。a）使用非导电胶粘剂粘合的碳黑导电油墨印刷电路，导致油墨溶胀并破坏已形成的碳黑导电网络。b）左侧覆盖了非导电胶粘剂的碳黑导电油墨样本，使用超景深三维表面剖面仪获取了y1到y4位置的高度分布。c）1和y4的高度分布。d）y2和y3的高度分布。e）使用导电胶粘剂粘合的碳黑导电油墨印刷电路，在导电油墨发生油墨溶胀的同时，在其表面形成导电层。f）粘合的导电层剥离，显示溶胀的底层导电油墨比未溶胀的导电油墨具有更高的电阻。g）粘接测试的样本。（h）粘接测试前后测试点的电阻变化。（i）导电胶粘剂的T型剥离实验。（j）三种胶粘剂的拉伸强度比较。（k）50次超声清洗测试。
图5.使用SEFM进行经皮药物递送的动物实验。a) 示意图，说明在大鼠上进行SEFM经皮药物递送实验期间设备的位置。b) 实验组使用的电极样本。c) 不同药物在微电流刺激下输送的药物总量比较。d) 不同药物的渗透深度比较。e）SEFM电穿孔激励的安全性验证,对照组动物组织的组织学切片。f）电穿孔实验组动物组织的组织学切片，显示表皮和真皮的完整性。g）对照组中人体皮肤成纤维细胞的活/死染色结果（n=3）。h）与SEFM共培养的人体成纤维细胞的活/死染色结果，表明SEFM没有细胞毒性（n=3）。
图6. SEFM对烟酰胺经皮递送的人体实验。a）在受试者的前臂内侧进行的烟酰胺经皮递送的SEFM实验。b）在5%烟酰胺水性溶液和5%烟酰胺油水型溶液与电穿孔刺激应用15分钟后，实验组和对照组的角质层厚度。c）5%烟酰胺水性敷料和5%烟酰胺水性敷料+微电流刺激的皮肤烟酰胺渗透曲线。d）5%烟酰胺水性敷料实验角质层中的烟酰胺含量。e）5%烟酰胺水性敷料实验后8μm深度处的水分含量。f）5%烟酰胺油水型敷料和5%烟酰胺油水型敷料+电穿孔刺激的皮肤烟酰胺渗透曲线。g）5%烟酰胺油水型敷料实验角质层中的烟酰胺含量。h）5%烟酰胺油水型敷料实验后8μm深度处的水分含量。
